快堆用高燃耗燃料：过去的经验与新应用

摘要

美国的快堆燃料燃耗通常都能达到10％，特别是在实验增殖反应堆-II（EBR—II）和汉福德快中子通量试验装置（FFTF）中，燃料的最高燃耗可能达到20％。最高燃耗常受到燃料与包壳之间的化学与机械相互作用的制约，在一定程度上还受到辐照损伤和热效应的影响（即辐照蠕变、高温蠕变、辐照脆化），使包壳性能下降。尽管快堆使用过多种形式的燃料，包括氧化物、合金、碳化物以及氮化物，但绝大多数快堆燃料都是用基于铀的氧化物（包括MOX）和合金。大家理解的高燃耗一直受到增殖快堆计划的影响，认为燃料最终都需要经过后处理，所以这个计划并没有把高燃耗作为重点研究。最近出现一种新的快堆设计，只需在初期投入很少的浓缩燃料，不需要后处理。这种快堆设计提出了一种新概念：行波（也被称为增殖燃烧波、裂变波或核燃烧波）。行波堆（TWR）靠原位增殖和燃烧，燃料燃耗可达50％。本文对TWR的物理计算表明：TWR需要使用合金燃料来提供行波持续所需的剩余反应性。本文叙述了快堆高燃耗燃料的运行经验和移植到另一种燃烧机制下的可行性，讨论了对行波堆的计算情况，包括使用钍燃料的可行性，分析了高燃耗带来的挑战和对燃料与材料的影响。